Deze lang belichte opname toont het hemelgebied rond de quasar HE 0109-3518. De quasar staat ongeveer in het midden van de foto. De energierijke straling van de quasar doet donkere stelsels oplichten, wat astronomen in staat stelt om de duistere vroege ontstaansfase van sterrenstelsels te onderzoeken. Donkere stelsels bevatten weinig of geen sterren en zenden dus ook geen licht uit dat met telescopen kan worden waargenomen. Dat maakt hen vrijwel onwaarneembaar, tenzij ze door een externe lichtbron, zoals een naburige quasar, worden aangelicht. Credit:ESO, Digitized Sky Survey 2 and S. Cantalupo (UCSC)

Voor het eerst zijn donkere sterrenstelsels – een vroege, theoretisch voorspelde fase in het ontstaan van sterrenstelsels – waargenomen. Deze objecten zijn in wezen gasrijke sterrenstelsels zonder sterren. Met behulp van ESO’s Very Large Telescope is een internationaal onderzoeksteam erin geslaagd om deze ongrijpbare objecten te detecteren via de gloed die zij vertonen doordat zij door een quasar worden aangelicht. Donkere sterrenstelsels zijn kleine, gasrijke stelsels in het vroege heelal die niet erg bedreven zijn in het produceren van sterren. Hun bestaan wordt voorspeld door theorieën over de vorming van sterrenstelsels: ze worden beschouwd als de bouwstenen van de huidige, heldere stelsels, die rijk zijn aan sterren. Astronomen denken dat zij deze grote stelsels wellicht van het gas hebben voorzien waarmee zij later hun huidige sterren hebben geproduceerd. Omdat ze weinig of geen sterren bevatten, zenden de donkere stelsels niet veel licht uit. Daardoor zijn ze moeilijk waarneembaar. Al jaren proberen astronomen technieken te ontwikkelen om het bestaan van deze stelsels te bevestigen. De eerste aanwijzingen voor hun bestaan waren kleine absorptiedipjes in de spectra van lichtbronnen op de achtergrond. Bij dit nieuwe onderzoek zijn de donkere stelsels nu voor het eerst rechtstreeks waargenomen. ‘We hebben het probleem van de detectie van donkere stelsels aangepakt door ze met licht te beschijnen,’ aldus Simon Lilly (ETH Zürich, Zwitserland), mede-auteur van het onderzoeksartikel, dat in Monthly Notices of the Royal Astronomical Society zal verschijnen. ‘We hebben gezocht naar de fluorescerende gloed van het gas in donkere stelsels die door het ultraviolette licht van een naburige en zeer heldere quasar worden aangelicht. Het quasarlicht brengt deze stelsels aan het gloeien op een manier die vergelijkbaar is met hoe witte kleding oplicht onder de uv-lampen in een nachtclub.’ Het onderzoeksteam heeft het grote licht-opvangende oppervlak en de grote gevoeligheid van de Very Large Telescope (VLT) benut om een reeks zeer lang belichte opnamen te maken, om zo de extreem zwakke gloed van de donkere stelsels te detecteren.

Deze kaart toont de positie van quasar HE 0109-3518 in het sterrenbeeld Beeldhouwer (Sculptor). Op de kaart staan bijna alle sterren die onder goede omstandigheden waarneembaar zijn met het blote oog. De quasar zelf is rood omcirkeld. Credit:ESO, IAU and Sky & Telescope

Met het instrument FORS2 is een hemelgebied rond de heldere quasar HE 0109-3518 in kaart gebracht, om zo het ultraviolette licht op te sporen dat waterstofgas uitzendt als het aan intense straling wordt blootgesteld. Door de uitdijing van het heelal wordt dit licht, tegen de tijd dat het bij de VLT aankomt, waargenomen als een violet schijnsel. ‘Na jaren van pogingen om de fluorescerende emissie van donkere stelsels te detecteren, bewijzen onze resultaten het potentieel van onze methode voor het opsporen en onderzoeken van deze fascinerende en tot nog toe onzichtbare objecten,’ zegt Sebastiano Cantalupo (Universiteit van Californië, Santa Cruz), hoofdauteur van het onderzoek. Het team heeft bijna honderd gasachtige objecten opgespoord die binnen een straal van enkele miljoenen lichtjaren rond de quasar liggen. Na zorgvuldige analyse, gericht op het uitsluiten van objecten waarbij de emissie door stervorming binnen de stelsels zelf wordt veroorzaakt, in plaats van door het licht van de quasar, bleven er uiteindelijk twaalf over. Dat zijn de meest overtuigende identificaties van donkere stelsels in het heelal tot nu toe. Het is de astronomen ook gelukt om enkele eigenschappen van de donkere stelsels te bepalen. Ze schatten dat de stelsels ongeveer een miljard zonsmassa’s aan gas bevatten, wat typerend is voor lichte, gasrijke sterrenstelsels in het jonge heelal. Ook konden ze schatten dat het stervormingsrendement in de stelsels minstens honderd keer zo laag is als in karakteristieke ster-vormende stelsels in een vergelijkbaar stadium van de kosmische geschiedenis. ‘Onze waarnemingen met de VLT hebben het bewijs opgeleverd voor het bestaan van compacte, op zichzelf staande donkere wolken. Met dit onderzoek hebben we een cruciale stap gezet in het opsporen en onderzoeken van de duistere vroege stadia van het ontstaan van sterrenstelsels, en de manier waarop sterrenstelsels aan hun gas zijn gekomen,’ besluit Cantalupo. De integral field-spectograaf MUSE, die in 2013 bij de VLT in bedrijf wordt genomen, zal een uiterst belangrijk hulpmiddel zijn bij het onderzoek van deze objecten. Bron: ESO.